การเคลื่อนที่และพลังงาน

รูปภาพของ chatta2010

การเคลื่อนที่และพลังงาน

บทนำ
            ความรู้เกี่ยวกับ  แรง  การเคลื่อนที่  และพลังงาน  เป็นพื้นฐานที่สำคัญของวิทยาศาสตร์สาขาฟิสิกส์ซึ่งมุ่งศึกษาเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างสสารและพลังงาน  ทำให้เราเข้าใจปรากฏการณ์ต่างๆ  ในธรรมชาติรอบตัว  รวมทั้งสถานการณ์ต่างๆ  ที่เกิดขึ้นในชีวิตประจำวัน  เช่น  การเคลื่อนที่ของสิ่งต่างๆบนโลก  ภายใต้สนามของแรงโน้มถ่วง  สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก  องค์ประกอบและสมบัติของคลื่นกล  และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า  กัมมันตภาพรังสีและพลังานนิวเคลียร์  ซึ่งนักเรียนจะได้ศึกษารายละเอียดต่อไปในหนังสือเล่มนี้  ความเข้าใจเกี่ยวกับหลักการต่างๆของฟิสิกส์จะช่วยให้นักเรียนสามารถนำไปใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันและในการทำงานต่างๆมากมาย  รวมถึงเป็นพื้นฐานในการศึกษาวิทยาศาตร์สาขาอื่นๆ  อย่างกว้างขวางอีกด้วย

            ความรู้ทางฟิสิกส์ได้รับการพัฒนามาจากการสังเกต  การสำรวจตรวจสอบและความคิดของหลายคนสะสมและพัฒนาขึ้นมาเป็นเวลายาวนาน  ในลักษณะที่เป็นหลักการ  กฏ  และทฤษฏี  ซึ่งองค์ความรู้ต่างๆ  มีการพัฒนาและเปลี่ยนแปลงไปตามที่มีประจักษ์พยาน  มีการค้นพบและมีข้อมูลมากขึ้น  เนื่องจากความก้าวหน้าของเทคโนโลยีทำให้ความรู้ทางฟิสิกส์พัฒนาขึ้นอย่างรวดเร็วในปัจจุบันความรู้ทางฟิสิกส์และกิจกรรมที่นักเรียนจะได้ปฏิบัติในหนังสือเล่มนี้เป็นเพียงความรู้เบื้องต้น  ซึ่งจะเป็นพื้นฐานให้นักเรียนเกิดความคิด  และความเข้าใจเกี่ยวกับโลกธรรมชาติ  และนำความรู้มาใช้ประโยชน์ในชีวิตจริงและเป็นพื้นฐานในการศึกษาต่อที่สูงขึ้นได้

  ในชีวิตประจำวัน  เราพบเห็นการเคลื่อนที่ของสิ่งต่างๆ  เช่น  นกบิน  รถยนต์แล่นบนถนน  ลูกฟุตบอลเคลื่อนที่ในอากาศ  ใบพัดลมหมุน  เด็กแกว่งชิงช้า  ผลไม้หล่นจากต้น  เป็นต้น  การเคลื่อนที่ดังกล่าวมีลักษณะเฉพาะอย่างไร  และขึ้นกับปัจจัยอะไรบ้าง  นักเรียนจะได้ศึกษาต่อไป 

1.1  การเคลื่อนที่แนวตรง

             การเคลื่อนที่แนวตรงของวัตถุ  เป็นการเคลื่อนที่ที่ไม่เปลี่ยนทิศทาง  เช่น  การเคลื่อนที่ของลูกมะพร้าวเมื่อตกจากต้นสู่พื้นดิน  การเคลื่อนที่ของรถยนต์บนถนนตรง  การเคลื่อนที่ของนักกีฬาว่ายน้ำในลู่ของสระ  เป็นต้น

ปริมาตรต่างๆที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ในแนวตรงมีความเกี่ยวข้องกันอย่างไร

 ในขณะที่รถยนต์เริ่มเคลื่อนที่บนถนนตรง  คนขับจะเหยียบคันเร่งทำให้รถเคลื่อนที่เร็วขึ้น  ถ้าสังเกตที่เข็มวัดอัตราเร็วบนหน้าปัดของรถ  จะพบว่าเข็มเบนมากขึ้น  แสดงว่ารถเคลื่อนที่ด้วย อัตราเร็ว  (speed)  เพิ่มขึ้น  และถ้าพิจารณาทิสของการเคลื่อนที่ด้วย  ความเร็ว   (velocity)  เพิ่มขึ้น

            เมื่ออ่านค่าจากเข็มชี้อัตราเร็วของรถที่กำลังเคลื่อนที่ในภาพ  ขณะนี้รถเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว  80  กิโลเมตรต่อชั่วโมงหรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว  80 กิโลเมตรต่อชั่วโมง  ไปทางทิศใต้  หากความเร็วของรถเปลี่ยนแปลง  กล่าวได้ว่ารถเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง (acceleration) การเข้าใจปริมาณต่างๆที่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่  จะทำให้มีความปลอดภัยมากขึ้นในการขับขี่ยวดยานพาหนะ  และนำไปใช้ประโยชน์ด้านต่างๆได้

การเคลื่อนที่เกี่ยวข้องกับปริมาณอะไรบ้าง  การเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆ  มีอัตราเร็วเท่ากันตลอดการเคลื่อนที่หรือไม่  และจะสามารถวัดได้อย่างไร

1.1.1  อัตราเร็วและความเร็ว   
               ถ้านักเรียนสังเกตนักวิ่งหรือนักว่ายน้ำ  เมื่อเคลื่อนที่ออกจากจุดเริ่มต้นจะมีอัตราเร็วไม่มากนัก  และเพิ่มอัตราเร็วขึ้นในช่วงเวลาต่อมา  แสดงว่าการเคลื่อนที่มีอัตราเร็วไม่เท่ากันตลอดระยะทาง  จึงนิยมบอกเป็น  อัตราเร็วเฉลี่ย   ซึ่งหาได้จากอัตราส่วนระหว่างระยะทางที่เคลื่อนที่ได้กับช่วงเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนที่

 ตัวอย่าง  จากข้อมูลบนแถบกระดาษในภาพ  1.2  ระหว่างเวลา  \frac{1}{{50}}   วินาที  และเวลา   \frac{3}{{50}}   วินาที  อัตราเร็วขณะหนึ่งเป็นเท่าใด

วิธีทำ   จากอัตราเร็วเฉลี่ย           
           ระยะทางจากเวลา   \frac{1}{{50}} s  ถึง   \frac{3}{{50}}  s   =  0.008 m
           เวลาที่ใช้เคลื่อนที่          = \frac{3}{{50}}s - \frac{1}{{50}}s = \frac{2}{{50}}s
           แทนค่าอัตราเร็วเฉลี่ย      = \frac{{0.008m}}{{\frac{2}{{50}}s}} = 0.2m/s    
           อัตราเร็วเฉลี่ยนี้คืออัตราเร็ว  ณ  จุดกึ่งกลางเวลา  \frac{2}{{50}}s  ซึ่งคืออัตราเร็วขณะหนึ่ง

คำตอบ   อัตราเร็วขณะหนึ่งเท่ากับ   0.2  เมตร/ วินาที
            -  ให้นักเรียนหาอัตราเร็ว  ณ  เวลา   \frac{7}{{50}}  วินาทีจากแถบกระดาษในภาพ 1.2

ถ้าการเคลือนที่มีทิศเข้ามาเกี่ยวข้อง  จะบอกอัตราเร็วของรถด้วยปริมาณใด        
            ในกรณีการเคลื่อนที่แนวตรง  ระยะทางและขนาดของการกระจัดมีค่าเท่ากัน  แต่การกระจัดจะต้องมีทิศของการเคลื่อนที่กำกับด้วย  นั่นคือการกรัดเป็นปริมาณเวกเตอร์  การกระจัดในหนึ่งหน่วยเวลาคือ  ความเร็ว  ดังนั้นความเร็วกับการกระจัดจึงมีทิศเดียวกัน  และต่างก็เป็นปริมาณเวกเตอร์  ความเร็วมีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาทีเช่นเดียวกับหน่วยของอัตราเร็ว

ตัวอย่าง  จากข้อมูลบนแถบกระดาษในภาพ  1.2  ระหว่างเวลา  \frac{1}{{50}}   วินาที  และเวลา   \frac{3}{{50}}   วินาที  อัตราเร็วขณะหนึ่งเป็นเท่าใด

วิธีทำ   จากอัตราเร็วเฉลี่ย           
           ระยะทางจากเวลา   \frac{1}{{50}} s  ถึง   \frac{3}{{50}}  s   =  0.008 m
           เวลาที่ใช้เคลื่อนที่          = \frac{3}{{50}}s - \frac{1}{{50}}s = \frac{2}{{50}}s
           แทนค่าอัตราเร็วเฉลี่ย      = \frac{{0.008m}}{{\frac{2}{{50}}s}} = 0.2m/s    
           อัตราเร็วเฉลี่ยนี้คืออัตราเร็ว  ณ  จุดกึ่งกลางเวลา  \frac{2}{{50}}s  ซึ่งคืออัตราเร็วขณะหนึ่ง

คำตอบ   อัตราเร็วขณะหนึ่งเท่ากับ   0.2  เมตร/ วินาที
            -  ให้นักเรียนหาอัตราเร็ว  ณ  เวลา   \frac{7}{{50}}  วินาทีจากแถบกระดาษในภาพ 1.2

ถ้าการเคลือนที่มีทิศเข้ามาเกี่ยวข้อง  จะบอกอัตราเร็วของรถด้วยปริมาณใด        
            ในกรณีการเคลื่อนที่แนวตรง  ระยะทางและขนาดของการกระจัดมีค่าเท่ากัน  แต่การกระจัดจะต้องมีทิศของการเคลื่อนที่กำกับด้วย  นั่นคือการกรัดเป็นปริมาณเวกเตอร์  การกระจัดในหนึ่งหน่วยเวลาคือ  ความเร็ว  ดังนั้นความเร็วกับการกระจัดจึงมีทิศเดียวกัน  และต่างก็เป็นปริมาณเวกเตอร์  ความเร็วมีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาทีเช่นเดียวกับหน่วยของอัตราเร็ว

1.1.2  ความเร่ง   
              ถ้าพิจารณาการเคลื่อนที่ในการแข่งกรีฑาที่มีนักวิ่งแซงนักวิ่งคนอื่นเข้าเส้นชัย  และการขับรถแซงงคันอื่น  นักวิ่งหรือผู้ขับรถต้องเพิ่มความเร็ว  สถานการณ์ดังกล่าวนี้  เป็นการเคลื่อนที่ที่มีความเร่ง ซึ่งเป็น ความเร็วที่เปลี่ยนไปในหนึ่งหน่วยเวลาความเร่งมีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที ^2   (m/s^2)  ในการเคลื่อนที่ของวัตถุ  ยางขณะวัตถุมีความเร็วสม่ำเสมอ  ซึ่งหมายถึงขนาดและทิศของความเร็วของวัตถุไม่เปลี่ยนแปลง  และบางขณะความเร็วของวัตถุเปลี่ยนไป  คือมีการเปลี่ยนขนาดของความเร็วหรือมีการเปลี่ยนทิศของความเร็ว  หรือมีการเปลี่ยนทั้งขนาดและทิศของความเร็ว  จึมักพิจารณาความเร่งเฉลี่ย  ซึ่งหาได้
ดังนั้นถ้าให้   v_1  =  ความเร็วต้น  (ขณะเวลา   t_1 )    
                      v_2  =  ความเร็วปลาย  (ขณะเวลา   t_2 )   
และ               a  =  ความเร่งเฉลี่ย
จะได้               a = \frac{{v_2  - v_1 }}{{t_2  - t_1 }}

 -  การขับรถด้วยอัตราเร็วดังภาพมีความสัมพันธ์กับการใช้เชื้อเพลิงอย่างไร
            การเคลื่อนที่ของรถจากหยุดนิ่ง  (v=0)  จนมีความเร็วเป็น  90  กิโลเมตรต่อชั่วโมง
 ในเวลา  25  วินาที  จะเห็นได้ว่า  รถมีความเร็ว  เพิ่มขึ้น  หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งว่า  รถเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง  เราสามารถหาความเร่งเฉลี่ยของรถในช่วงเวลา  25  วินาที  ได้ดังนี้
            ความเร็วที่เปลี่ยนไป   =   v_2  -  v_1
                                              =  90 km/h - 0 km/h
                                    =   \frac{{90 \times 1000m}}{{60 \times 60s}}     
                                               =  25 m/s
            ช่วงเวลาที่ใช้              =   t_2 - t_1     
                                    =  25 s - 0s
                                    =  25s
            จะได้                     a  =    \frac{{25m/s}}{{25s}}    
                                               =   1 m/s^2  
            นั่นคือ  รถเคลื่อนที่ด้วยความเร่งฌลี่ย  1  เมตรต่อวินาที ^2   และมีทิศเดียวกับทิศของความเร็ว   หมายความว่ารถเพิ่มความเร็ววินาทีละ  1  เมตรต่อวินาที  อย่างสม่ำเสมอ

            เมื่อพิจารณาการเคลื่อนที่ของรถในช่วงเวลา  t  =  25s  ถึง  t = 50s  จะเห็นว่า  รถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่าเดิม  หรือรถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว  นั่นคือความเร็วของรถที่เปลี่ยนไปมีค่าเท่ากับศูนย์  ทำให้ความเร่งของรถมีค่าเท่ากับศูนย์ด้วย

หน่วยของอัตราเร็ว
            โดยทั่วไปอัตราเร็วมีหน่วยเป็นกิโลเมตรต่อชั่วโมง  แต่ในระบบเอสไอ  (SI)  อัตราเร็วมีหน่วยเป็นเมตรต่อวินาที  บางครั้งจึงต้องเปลี่ยนหน่วยกิโลเมตรต่อชั่วโมง  เป็นหน่วยเมตรต่อวินาที  เช่น  อัตราเร็ว  180 km/h  มีค่าเท่ากับ  50  m/s    

            สำหรับการเคลื่อนที่ของรถในช่วงเวลา  t = 50s  จนกระทั่งรถหยุดนิ่งที่เวลา  t =75s  รถมีความเร็วน้อยลง  เราสามารถหาความเร่งเฉลี่ยของรถในช่วงนี้ได้ดังนี้
            ความเร็วที่เปลี่ยนไป  =   v_2 - v_1  
                                              =  0 km/h - 90 km/h
                                    = - 90 km/h
                                   =   - \frac{{90x1000m}}{{60x60s}}        
           ช่วงเวลาที่ใช้             =   t_2 - t_1  =  75s - 50s  =  25s
             จะได้                  a  =    - \frac{{25m/s}}{{25s}} =  - 1m/s^2
         
            นั่นคือ  รถเคลื่อนที่ด้วยความเร่งเฉลี่ย  1  เมตรต่อวินาที ^2  และมีทิศทางตรงข้ามกับทิสของความเร็ว  เพราะความเร่งเฉลี่ย  (a)  มีเครื่องหมาย  - ซ่งหมายความว่า  ความเร็วรถลดลงวินาทีละ  1  เมตรต่อวินาที

            -  จากประจักษ์พยานการเคลื่อนที่ในตัวอย่างนี้  นักเรียนจะอธิบายความสัมพันธ์ของความเร็วและความเร่งว่าอย่างไร
            -  ความเร็ว  ความเร่ง  มีความสำคัญอย่างไรต่อการนำไปใช้ในชีวิตประจำวัน

การเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง  แตกต่างจากการเคลื่อนที่ในแนวระดับหรือไม่อย่างไร

            ถ้าทำการทดลองเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุในแนวดิ่งภายใต้แรงโน้มถ่วงของโลก  โดยติดวัสดุ  เช่น ผลส้ม  หรือลูกเทนนิสกับแถบกระดาษผ่านเครื่องเคาะสัญญาณเวลาจากแถบกระดาษที่แสดงไว้ในภาพ  1.7  นักเรียนจะพบว่าวัตถุ  มีความเร็วมากขึ้นอย่างสม่ำเสมอ  นั่นคือวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงตัว   เรียกความเร่งในการตกของวัตถุว่า  ความเร่โน้มถ่วงของโลก (gravitational  acceleration, g)  ซึ่งมีค่า  9.8  เมตรต่อวินาที ^2  และมีทิศดิ่งลงสู่พื้นเสมอ  แสดงว่าในทุกๆ 1 นาที  วัตถุมีความเร็วเพิ่มขึ้นประมาณ  9.8  เมตรต่อวินาที  ซึ่งถือว่าเป็นการเคลื่อนที่ที่มีความเร็วเพิ่มขึ้นเร็วมาก  ตัวอย่างเช่น  การโดดร่มแบบดิ่งพสุธาช่วงที่ร่มยังไม่กางจะมีความเร็วมาก

สร้างโดย: 
เชษฐา จำเล

มหาวิทยาลัยศรีปทุม ผู้ใหญ่ใจดี
 

 ช่วยด้วยครับ
นักเรียนที่สร้างบล็อก กรุณาอย่า
คัดลอกข้อมูลจากเว็บอื่นทั้งหมด
ควรนำมาจากหลายๆ เว็บ แล้ววิเคราะห์ สังเคราะห์ และเขียนขึ้นใหม่
หากคัดลอกทั้งหมด จะถูกดำเนินคดี
ตามกฎหมายจากเจ้าของลิขสิทธิ์
มีโทษทั้งจำคุกและปรับในอัตราสูง

ช่วยกันนะครับ 
ไทยกู๊ดวิวจะได้อยู่นานๆ 
ไม่ถูกปิดเสียก่อน

ขอขอบคุณในความร่วมมือครับ

อ่านรายละเอียด

ด่วน...... ขณะนี้
พระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ (ฉบับที่ 2) พ.ศ. 2558 
มีผลบังคับใช้แล้ว 
ขอให้นักเรียนและคุณครูที่ใช้งาน
เว็บ thaigoodview ในการส่งการบ้าน
ระมัดระวังการละเมิดลิขสิทธิ์ด้วย
อ่านรายละเอียดที่นี่ครับ

 

สมาชิกที่ออนไลน์

ขณะนี้มี สมาชิก 0 คน และ ผู้เยี่ยมชม 43 คน กำลังออนไลน์